CN109809522B - 一种石墨烯悬筛处理污水的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种石墨烯悬筛处理污水的方法，在石墨烯悬筛内部引入功能化的磁性颗粒，功能化的磁性颗粒粒径大于悬筛孔径，能够被截留在悬筛表面，并且能够被反冲洗后收集在收集池中，通过磁性能够实现与其他物质的简易分离，得到的功能化的磁性颗粒能够循环进行悬筛内部使用。本申请在悬筛吸附过滤分离的同时，对污水进行光催化降解有机污染物、杀灭细菌、去除重金属离子，节省了相关处理流程，或减轻相关污水处理流程的负担。

Description

一种石墨烯悬筛处理污水的方法

技术领域

本申请涉及一种水处理方法，尤其涉及一种石墨烯悬筛处理污水的方法。

技术背景

悬筛，又称为转鼓，是一种常见的污水处理装置，例如，中国专利CN104436809A、CN108083604A、CN206444301U、CN206927682U等公开的固液分离装置，其通过将污水引入悬筛中，污水由于重力从悬筛的底部或侧壁流出，水中的悬浮污染物被截留在悬筛内侧，而在悬筛上部设置喷头由外向内进行反冲洗，将截留的污染物冲洗至污染物收集设备。该装置相对于普通的过滤装置能够实现边过滤边反洗，使得过滤处理能够连续进行，从而提高了污水处理效率。

石墨烯因超大的比表面积、易于改性的特点，具有成为高效吸附剂的潜力，例如，中国专利CN103663601A、CN105668854A、CN203513401U公开了石墨烯材料用于处理过滤废水。在现有技术基础上，中国专利CN103316637A公开了采用石墨烯涂覆三维金属网以实现选择性吸附和分离功能，进一步，中国专利CN205367802U将石墨烯基金属过滤网用于悬筛装置中，利用设置的亲水性石墨烯膜和亲油性石墨烯膜的各自优势将油水进行分离，反向冲向亲水性石墨烯膜致使固体颗粒能够被固废收集槽收集。石墨烯由于优良吸附分离性质使得悬筛装置在污水处理效率上又进一步提高。中国专利CN204173979U公开了一种生物转鼓废水处理装置，其在转鼓内部空间添加生物填料以降解废水中的有机物和氨氮含量，其利用转鼓内的空间引入降解有机物和氨氮的生物填料，为进一步提高转鼓在污水处理效率上提供了一个新的方式。可见，悬筛技术在处理污水效率上仍然有较大的提升空间，能够节省其他相关处理流程，或减轻其他污水处理流程的负担。

本申请在前述现有技术基础上，将功能化的磁性颗粒引入悬筛内的空间，以实现污水处理效率的进一步提升。目前，还未有将磁性颗粒引入转鼓内的空间实现相关功能的报道，虽然磁性颗粒能够受到磁场控制进行相关运动或通过磁场能够进行分离，但将功能化的磁性颗粒引入悬筛内的空间，能够利用磁场更好的实现其相应功能，并通过反洗实现磁性粒子与污水的分离，再通过磁性分离得到可以循环作用的磁性颗粒，在功能上能够彼此协同。因此，能够进一步提高污水处理效率。

发明内容

本申请提供一种石墨烯悬筛处理污水的方法，通过在悬筛内空间引入功能化的磁性颗粒实现了对污水过滤分离的同时，还能实现光催化降解有机污染物、杀灭细菌、去除重金属离子等功能，能够节省其他相关处理流程，或减轻其他污水处理流程的负担，并实现了污水处理效率的提高。具体技术方案如下：

一种石墨烯悬筛处理污水的方法，包括如下步骤：

(1)将污水引入缓冲区，达到设定水量范围后石墨烯悬筛自动启动，污水由缓冲区在重力的作用下进入石墨烯悬筛内；

(2)将功能化的磁性颗粒引入石墨烯悬筛内的污水中，污水中的水在重力作用下通过石墨烯悬筛进入设置在其下方的集水池，油类、杂质颗粒、胶体粒子以及至少部分功能化的磁性颗粒被石墨烯悬筛拦截于悬筛表面；

(3)悬筛上方设置喷嘴，采用通过悬筛的过滤水对悬筛进行反冲洗，截留在悬筛内表面的截留物质被冲洗至收集池并排出悬筛，通过对排出的混合物质进行磁性分离得到功能化的磁性颗粒，将该功能化的磁性颗粒重新引入石墨烯悬筛内的污水中；

其中，功能化的磁性颗粒包括磁性核和功能表面层，所述功能化的磁性颗粒粒径大于悬筛孔径，具有光催化降解有机污染物、杀灭细菌、去除重金属离子等一种或多种功能。

本申请在石墨烯悬筛运行的基础上，引入功能化的磁性颗粒，使得上述颗粒在污水中发挥光催化降解有机污染物、杀灭细菌、去除重金属离子等功能以提高污水处理效率，而功能化的磁性颗粒能够与其他杂质一样截留在悬筛表面，而通过反冲洗回收含有该磁性颗粒的混合物，进一步通过磁性的简单分离获得功能化的磁性颗粒，从而再循环使用。

优选的，在石墨烯悬筛外部设置变化的磁场，使功能化的磁性颗粒在悬筛内的污水中进行规则或不规则的运动。

本申请能够通过外部磁场控制功能化的磁性颗粒的运动，扩展其污水的接触范围，进而能够更多的接触污染物，提高污染物去除效率。

优选的，石墨烯与金属基材复合形成石墨烯基金属网膜作为悬筛，膜孔径为0.2-4μm。

本申请可以根据污水中能够通过过滤去除的污染物的粒径对膜的孔径进行选择。

优选的，功能化的磁性颗粒引入污水的量为100-800mg/L。

本申请可以根据污水中功能化的磁性颗粒能够去除的污染物的含量调整其加入量。

优选的，悬筛的旋转速度为2-5r/min，喷嘴孔径为1.8-2mm，反冲洗压力为4-8bar。

本申请可以根据石墨烯悬筛运行的实际情况进行相关操作调整，以优化运行过程。

优选的，分离后得到的功能化的磁性颗粒经过清洗或再生后，再循环引入悬筛内的污水中。

根据分离后功能化的磁性颗的具体情况，可以直接进入循环，也可以清洗表面杂质后再进入循环，如果采用的催化剂出现活性下降，也可以提供通过氧气燃烧等方式去除催化剂表面物质实现再生后进入循环。

优选的，功能化的磁性颗粒的磁性核为铁氧化物，功能表面层为二氧化钛或半导体掺杂的二氧化钛，功能层为二氧化钛时，在悬筛外部设置紫外光产生设备。

本申请可以通过功能化的磁性颗粒表面的二氧化钛或半导体掺杂的二氧化钛实现对有机污染物的光催化降解，通过可见光或紫外光照射半导体掺杂的二氧化钛或二氧化钛表面产生具有氧化性的自由基基团将有机污染物分解，从而降低污水中的有机氧化物浓度。

优选的，功能化的磁性颗粒的磁性核为铁氧化物，功能表面层为纳米银。

本申请可以通过功能化的磁性颗粒表面的纳米银实现对污水中细菌和病毒的杀灭，从而实现对污水的净化，降低污水中的细菌和病毒的含量。

优选的，功能化的磁性颗粒的磁性核为铁氧化物，功能表面层为与铁氧化物表面连接的硅烷偶联剂KH550。

本申请可以通过功能化的磁性颗粒表面的KH550实现其一端与铁氧化物表面的连接，而另一端含有的胺基能够与重金属离子结合，从而实现对污水中重金属离子的去除。

有益效果：

(1)本申请在现有技术中的石墨烯悬筛的基础上，在石墨烯悬筛内部引入功能化的磁性颗粒，在悬筛吸附过滤分离的同时，对污水进行光催化降解有机污染物、杀灭细菌、去除重金属离子，节省了相关处理流程，或减轻相关污水处理流程的负担。

(2)功能化的磁性颗粒粒径大于悬筛孔径，能够被截留在悬筛表面，并且能够被反冲洗后收集在收集池中，通过磁性能够实现与其他物质的简易分离，得到的功能化的磁性颗粒能够循环进行悬筛内部使用。本申请利用悬筛能够连续分离并收集一定粒径物质的性质，采用特定粒径的功能化的磁性颗粒在悬筛处理的污水中连续实现相应的水处理功能，并且能够通过磁性实现简易收集，使得悬筛截留与污水中其他污染物降解方式有机结合在同一个处理过程，使得水处理流程实现简化。

(3)利用功能化的磁性颗粒的磁性，可以通过外部磁场控制磁性颗粒在污水中的运动，使得功能化的磁性颗粒与污染物接触更为广泛，从而更好的实现光催化降解有机污染物、杀灭细菌、去除重金属离子的功能，进一步提高污水处理效率。

具体实施方式

以下对本发明的技术方案及优点做出更加详细的解释和说明。应当理解的是，说明书、具体实施方式中所呈现的内容，仅仅为了更加清楚地说明本发明的技术方案及其优点，并不对本发明的保护范围构成限制。本领域技术人员能够在说明书公开内容的基础上，针对各种合理的变换得到变化后的技术方案，只要不脱离本发明的精神，各种变化后的技术方案均包括在本发明的保护范围之内。

实施例1

(1)将污水引入缓冲区，达到设定水量范围后石墨烯悬筛自动启动，污水由缓冲区在重力的作用下进入石墨烯悬筛内；其中，石墨烯与金属基材复合形成石墨烯基金属网膜作为悬筛，膜孔径为2μm；

(2)将功能化的磁性颗粒引入石墨烯悬筛内的污水中，污水中的水在重力作用下通过石墨烯悬筛进入设置在其下方的集水池，油类、杂质颗粒、胶体粒子以及至少部分功能化的磁性颗粒被石墨烯悬筛拦截于悬筛表面；其中，功能化的磁性颗粒引入污水的量为500mg/L

(3)悬筛上方设置喷嘴，采用通过悬筛的过滤水对悬筛进行反冲洗，截留在悬筛内表面的截留物质被冲洗至收集池并排出悬筛，通过对排出的混合物质进行磁性分离得到功能化的磁性颗粒，将该分离后的功能化的磁性颗粒直接重新引入石墨烯悬筛内的污水中；其中，悬筛的旋转速度为3r/min，喷嘴孔径为1.8mm，反冲洗压力为6bar；

其中，功能化的磁性颗粒包括磁性核和功能表面层，所述功能化的磁性颗粒粒径大于悬筛孔径，功能化的磁性颗粒的磁性核为铁氧化物，功能表面层为二氧化钛，在悬筛外部设置紫外光产生设备。

功能化的磁性颗粒的制备：铁氧化物的制备可以采用沉淀法制备氢氧化铁，通过过滤、干燥、焙烧得到微米或亚微米级的铁氧化物。将铁氧化物浸渍于二氧化钛前驱体溶液中，通过过滤、干燥、焙烧得到功能化的磁性颗粒。将功能化的磁性颗粒分散于清水中，进入悬筛进行过滤，对悬筛施加超声以使团聚的功能化的磁性颗粒分散，通过反冲洗进行收集，通过磁性获得颗粒粒径大于悬筛孔径的功能化的磁性颗粒。

经测试，进入石墨烯悬筛的污水的浊度为35NTU，COD为644mg/L，在集水槽中的过滤水的浊度为16NTU，COD为439mg/L。

实施例2

(1)将污水引入缓冲区，达到设定水量范围后石墨烯悬筛自动启动，污水由缓冲区在重力的作用下进入石墨烯悬筛内；其中，石墨烯与金属基材复合形成石墨烯基金属网膜作为悬筛，膜孔径为0.1μm；

(2)将功能化的磁性颗粒引入石墨烯悬筛内的污水中，污水中的水在重力作用下通过石墨烯悬筛进入设置在其下方的集水池，油类、杂质颗粒、胶体粒子以及至少部分功能化的磁性颗粒被石墨烯悬筛拦截于悬筛表面；其中，功能化的磁性颗粒引入污水的量为800mg/L

(3)悬筛上方设置喷嘴，采用通过悬筛的过滤水对悬筛进行反冲洗，截留在悬筛内表面的截留物质被冲洗至收集池并排出悬筛，通过对排出的混合物质进行磁性分离得到功能化的磁性颗粒，将该分离后的功能化的磁性颗粒清洗后重新引入石墨烯悬筛内的污水中；其中，悬筛的旋转速度为5r/min，喷嘴孔径为1.8mm，反冲洗压力为7bar；

其中，功能化的磁性颗粒包括磁性核和功能表面层，所述功能化的磁性颗粒粒径大于悬筛孔径，功能化的磁性颗粒的磁性核为铁氧化物，功能表面层为纳米银。

功能化的磁性颗粒的制备：铁氧化物的制备可以采用沉淀法制备氢氧化铁，通过过滤、干燥、焙烧得到微米或亚微米级的铁氧化物。将铁氧化物浸渍于纳米银前驱体溶液中，通过过滤、干燥、焙烧得到功能化的磁性颗粒。将功能化的磁性颗粒分散于清水中，进入悬筛进行过滤，对悬筛施加超声以使团聚的功能化的磁性颗粒分散，通过反冲洗进行收集，通过磁性获得颗粒粒径大于悬筛孔径的功能化的磁性颗粒。

经测试，进入石墨烯悬筛的污水的浊度为35NTU，含菌量为52cfu/mL，在集水槽中的过滤水的浊度为17NTU，含菌量为23cfu/mL。

实施例3

(1)将污水引入缓冲区，达到设定水量范围后石墨烯悬筛自动启动，污水由缓冲区在重力的作用下进入石墨烯悬筛内；其中，石墨烯与金属基材复合形成石墨烯基金属网膜作为悬筛，膜孔径为4μm；

(2)将功能化的磁性颗粒引入石墨烯悬筛内的污水中，污水中的水在重力作用下通过石墨烯悬筛进入设置在其下方的集水池，油类、杂质颗粒、胶体粒子以及至少部分功能化的磁性颗粒被石墨烯悬筛拦截于悬筛表面；其中，功能化的磁性颗粒引入污水的量为100mg/L

(3)悬筛上方设置喷嘴，采用通过悬筛的过滤水对悬筛进行反冲洗，截留在悬筛内表面的截留物质被冲洗至收集池并排出悬筛，通过对排出的混合物质进行磁性分离得到功能化的磁性颗粒，将该分离后的功能化的磁性颗粒用酸性水浸泡后重新引入石墨烯悬筛内的污水中；其中，悬筛的旋转速度为2r/min，喷嘴孔径为1.8mm，反冲洗压力为5bar；

其中，功能化的磁性颗粒包括磁性核和功能表面层，所述功能化的磁性颗粒粒径大于悬筛孔径，功能化的磁性颗粒的磁性核为铁氧化物，功能表面层为与铁氧化物表面连接的硅烷偶联剂KH550。

功能化的磁性颗粒的制备：铁氧化物的制备可以采用沉淀法制备氢氧化铁，通过过滤、干燥、焙烧得到微米或亚微米级的铁氧化物。通过将铁氧化物浸渍于稀碱溶液中使得表面含有羟基，将铁氧化物浸渍于KH550中反应，通过过滤、干燥得到功能化的磁性颗粒。将功能化的磁性颗粒分散于清水中，进入悬筛进行过滤，对悬筛施加超声以使团聚的功能化的磁性颗粒分散，通过反冲洗进行收集，通过磁性获得颗粒粒径大于悬筛孔径的功能化的磁性颗粒。

经测试，进入石墨烯悬筛的污水的浊度为35NTU，重金属离子Pb²⁺浓度为44.5ppm，在集水槽中的过滤水的浊度为16NTU，重金属离子Pb²⁺浓度为22.8ppm。

实施例4

与实施例1相同，但在石墨烯悬筛外部设置交变的磁场，使功能化的磁性颗粒在悬筛内的污水中进行往复运动。磁性颗粒在往复运动的同时依然在重力作用下向下运动，因此，磁性颗粒在磁场和重力作用下进行左右来回运动的同时并向下运动。

经测试，进入石墨烯悬筛的污水的浊度为35NTU，COD为644mg/L，在集水槽中的过滤水的浊度为17NTU，COD为387mg/L。

对比例1

与实施例1相同，但不引入功能化的磁性颗粒。

经测试，进入石墨烯悬筛的污水的浊度为35NTU，COD为644mg/L，在集水槽中的过滤水的浊度为16NTU，COD为563mg/L。

通过实施例1-3的结果可以发现，本申请能够在石墨烯悬筛过滤去除污水中污染物的同时，通过功能化的磁性颗粒实现对污水中有机污染物、细菌和重金属离子的去除，使得在后续流程中的相关处理的负荷或成本减轻，甚至在符合要求的情况下不必在进行相关处理。通过比较实施例1,4可以发现，通过外加磁场控制磁性颗粒在污水中运动能够有效增加接触范围，从而进一步提高了污水中有机污染物的降解。通过比较实施例1和对比例1可以发现，石墨烯悬筛吸附分离能够通过去除部分粒径较大或油类物质使得COD值降低，但引入功能化的磁性颗粒后，通过光催化作用能够进一步降低COD值，而且功能化的磁性颗粒没有对石墨烯悬筛的运行有影响。

本申请通过在悬筛内空间引入功能化的磁性颗粒实现了对污水过滤分离的同时，还能实现光催化降解有机污染物、杀灭细菌、去除重金属离子等功能，同时实现了功能化的磁性颗粒在石墨烯悬筛正常运行过程中的循环使用，将两个水处理工艺结合在一个水处理过程中。减轻后续水处理流程负荷或减少水处理后续流程。进一步通过变换磁场控制磁性粒子运动，进一步提高了污水处理效率。

虽然本发明内容包括具体的实施例，但是对本领域的技术人员明显的是在不偏离本权利要求和其等同技术方案的发明要点和范围的情况下，可以对这些实施例做出各种形式上和细节上的替换或变动。本文中描述的实施例应被认为只在说明意义上，并非为了限制的目的。在每一个实施例中的特征和方面的描述被认为适用于其他实施例中的相似特征和方面。因此，本发明的范围不应受到具体的描述的限定，而是受权利要求技术方案的限定，并且在本权利要求和其等同物的范围内的所有变化被解释为包含在本发明的技术方案之内。

Claims (4)

1.一种石墨烯悬筛处理污水的方法，包括如下步骤：

(1)将污水引入缓冲区，达到设定水量范围后石墨烯悬筛自动启动，污水由缓冲区在重力的作用下进入石墨烯悬筛内；

(2)将功能化的磁性颗粒引入石墨烯悬筛内的污水中，污水中的水在重力作用下通过石墨烯悬筛进入设置在其下方的集水池，油类、杂质颗粒、胶体粒子以及至少部分功能化的磁性颗粒被石墨烯悬筛拦截于悬筛表面；

(3)悬筛上方设置喷嘴，采用通过悬筛的过滤水对悬筛进行反冲洗，截留在悬筛内表面的截留物质被冲洗至收集池并排出悬筛，通过对排出的混合物质进行磁性分离得到功能化的磁性颗粒，将该功能化的磁性颗粒重新引入石墨烯悬筛内的污水中；

其中，功能化的磁性颗粒包括磁性核和功能表面层，所述功能化的磁性颗粒粒径大于悬筛孔径，具有光催化降解有机污染物的功能；

在石墨烯悬筛外部设置变化的磁场，使功能化的磁性颗粒在悬筛内的污水中进行规则或不规则的运动；

分离后得到的功能化的磁性颗粒经过清洗或再生后，再循环引入悬筛内的污水中；

其中，

功能化的磁性颗粒的磁性核为铁氧化物，功能表面层为二氧化钛，在悬筛外部设置紫外光产生设备；

功能化的磁性颗粒的制备：铁氧化物的制备采用沉淀法制备氢氧化铁，通过过滤、干燥、焙烧得到微米或亚微米级的铁氧化物；将铁氧化物浸渍于二氧化钛前驱体溶液中，通过过滤、干燥、焙烧得到功能化的磁性颗粒；将功能化的磁性颗粒分散于清水中，进入悬筛进行过滤，对悬筛施加超声以使团聚的功能化的磁性颗粒分散，通过反冲洗进行收集，通过磁性获得颗粒粒径大于悬筛孔径的功能化的磁性颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯悬筛处理污水的方法，石墨烯与金属基材复合形成石墨烯基金属网膜作为悬筛，膜孔径为0.2-4μm。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯悬筛处理污水的方法，功能化的磁性颗粒引入污水的量为100-800mg/L。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯悬筛处理污水的方法，悬筛的旋转速度为2-5r/min，喷嘴孔径为1.8-2mm，反冲洗压力为4-8bar。